材料工程基础讲稿
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《材料工程基础》课件
03
无机非金属材料工程
无机非金属材料的性质
硬度
无机非金属材料的硬度通常较高，具有较好的耐 磨性和耐久性。
电绝缘性
部分无机非金属材料具有较好的电绝缘性能，常 用于电子、电气等领域。
ABCD
化学稳定性
无机非金属材料具有良好的耐腐蚀性和化学稳定 性，能够在恶劣环境下保持稳定。
热稳定性
无机非金属材料具有良好的热稳定性和隔热性能 ，能够在高温环境下保持性能稳定。
展。
04
复合化与多功能化
通过材料复合和多功能化设计， 实现材料的多重性能和功能，满
足复杂的应用需求。
材料工程的未来展望
新材料的不断涌现
随着科技的不断进步，将会有更多新 型材料不断涌现，为各领域的发展提 供更多选择和可能性。
绿色环保成为主流
随着人们对环境保护意识的不断提高 ，未来的材料工程将更加注重绿色环 保材料的研发和应用，减少对环境的 负面影响。
包括反应釜、搅拌器、管 道等。
01 03
缩聚反应
包括酯化缩聚、醚化缩聚 、缩聚反应等。
02
高分子合成方法
包括乳液聚合、悬浮聚合 、本体聚合等。
有机高分子材料的加工
加工工艺
包括压延、挤出、注射、吹塑等。
加工设备
包括混炼机、压延机、注塑机等。
加工条件
包括温度、压力、时间等。
加工助剂
包括增塑剂、润滑剂、抗氧剂等。
02
金属材料工程
金属材料的性质
金属材料的物理性质
金属材料的力学性质
包括密度、热膨胀系数、热导率等， 这些性质决定了金属材料在不同环境 下的性能表现。
包括硬度、强度、韧性、疲劳强度等 ，这些性质决定了金属材料在不同受 力条件下的行为。
材料工程基础讲稿1
提高新一代燃气涡轮发动机的推重比，6070％需要依靠材料技术结构设计实现
掌握金属相变的基本规律，在学习中明确： 在什么条件下发生何种转变？ 转变以怎样的机构进行？得到何种相和组织？ 这种相和组织转变将带来何种物理、化学和力 学性能？ 怎样利用这种转变作为一种技术手段，得到预 期的使用性能。 即：探讨金属的成分－组织－性能之间的关系， 具有研究、设计新型金属材料，使用现有各种金属 材料和研究、设计热处理工艺的理论基础。
§1－2 金属固态相变的分类 金属固态相变的类型很多，常用的分类方法有： 1.按热力学分类 由相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级、二级及 三级相变。 相变时新母相化学位相等，但化学位的一级偏微商不等，称为一 级相变。设α为新相，β为母相， 则： , ,
包析转变 冷却时由两个固相合并为一个固相的反应称为包析 转变。
1： + → 2： + →
调幅分解 某些在高温下具有均匀单相固溶体组织的合金，冷却到某一温度 范围内时，可分解为两种结构与原固溶体结构相同但成分有明显差 别的微区转变——调幅分解。反应式： 1 2 。 特点:上坡扩散，均匀固溶体→不均匀固溶体。 有序化转变 固溶体中，各组元原子的相对位置由无序→有序的转变过程。
S , V, P T
S S ,V V 所以
2.按原子迁移情况分类 相变过程中原子迁移情况可将固态相变分为扩散性和无扩散性 相变两大类。 混合型相变 3.按相变方式分类 按相变方式可将相变分为有核相变和无核相变。 有核相变 通过形核－长大进行
2.不平衡转变 加热或冷却速度↑→平衡转变受到抑制，发生某些状态图上不能 反映的转变→不平衡或亚稳组织。 转变与状态图密切相关，根据合金状态图，可以判断可能发生那 些不平衡转变。 1)铁碳合金中的不平衡转变 由Fe-Fe3C状态图左下角可知，当A自高温缓慢冷却到GSE线以 下时，将从A→F或Fe3C。此时A中的碳将向S点靠拢。当达到S点 时→共析转变。但A从高温快速冷却，共析转变来不及进行，A将发 生一系列不平衡转变
材料工程基础讲稿21
§8－1 脱溶沉淀过程的热力学 通过形核－长大进行的，驱动力是自由焓差。 设A、B两组元可以形成α 及β 固溶体（或化合物 AmBn）。由物理化学知，温度一定时，α 及β 固溶 体的自由焓与成分之间的关系均呈一上凹曲线。 设有一成分为C0的合金，如该合金以α 状态存 在，则其自由焓为：
GC ；如分解为成分为 C 的相及成分为C 的相， 0
非平衡偏聚理论
这个理论起源于最早的关于Fe3C在晶界沉淀引Байду номын сангаас
起回火脆性的设想。由于这一设想不能解释杂质元素的作用，因而 又提出，在Fe3C析出后，杂质元素会在其周围富集，从而引起脆 化。偏聚在渗碳体－铁素体界面上的杂质元素是由渗碳体片中“排 挤”出来的，因为它们在渗碳体中溶解度非常小，基于这个模型， 对镍和锑偏聚进行了计算，所得结果对镍而言，与实际符合得很 好；但对锑而言，则较实测值小。对这个结果研究者的解释是偏聚 的锑还有一部分是在镍的吸附下由基体扩散而来。由于这样引起的 偏聚是一种过渡状态，在高温 加热后，杂质向铁素体内部扩散， 以及碳化物部分溶解而使渗碳体 －铁素体界面净化，从而使脆性消 失，这种理论又称为非平衡偏聚 理论。
过饱和固溶体α 相与析出稳定相θ 之间的自由焓存差最 大——相变驱动力最大。但由 于析出θ 相需要克服的位垒较 大，形核时的临界形核功大， 故转变速度较慢。而先析出中 间亚稳相虽然相对自由焓差小， 亦即驱动力小，但由于中间亚 稳相与原α 相从成分及点阵结 构来看都比较接近，故析出时 所需克服的位垒小，因此转变易于进行。 与M分解时碳化物的转化一样，过饱和固溶体脱溶沉淀 时由中间亚稳相向稳定相的转化可以是原位转变，或是独 立形核长大。
除Al-Cu外，Al-Zn、Al-Ag、Cu－Co、Cu－Be、Al-MgSi、Ni-Al、Ni-Ti、Fe-Mo、Fe-Au等在脱溶开始时也都形 成GP区。GP区除形成薄片外，也有呈球状的，如Al-Zn、 Al-Ag，也有呈针状的，如Al-Mg-Si。GP区的形状取 决于原子半径差。半径差大时，畸变能大，易呈片状或针 状。
材料工程基础讲
3
可持续材料
在制造、应用和废弃过程中对能源、环境和资源的影响较小。
非晶材料
大多是无序的固体，如玻璃、陶瓷等。
材料测试方法和标准
力学性能测试 热学性能测试 电性能测试 化学性能测试
承受外力的能力和变形程度 材料在特定条件下的热传导、热膨胀等性能 材料的导电性和介电性等性能 对材料进行化学性质和化学行为的测试
材料工程的应用领域
1 航空航天
2 汽车工业
超级材料用于航空器和航天器零部件的制造。
材料工程基础讲
您好！欢迎来到材料工程基础讲。 我是XXX。本次讲座将深度挖掘材料工程 的各个方面，希望您能够收获满满。
材料工程的定义
材料工程是从事材料的研究、设计、制备和应用的一门交叉学科。它的目标 是研究、开发、应用新材料，提高材料的性能和品质。
材料工程的发展历程
古代材料应用
古代兵器、陶器、石器、织物等材料应用丰富多彩。
现代材料工程的兴起
20世纪初，先后在欧美开设材料科学专业并得到了迅猛发展。
现代材料工程的发展
材料工程的范围逐渐扩大，从单一材料的设计制备，到材料组合的纳米级封装和加工。
材料的分类和特性
天然材料
由天然生物或矿物形成的材料。
人Байду номын сангаас材料
通过人为手段制造的材料，如塑料、复合材料。
金属材料
主要由金属元素制成，如铁、铝、铜等。
高性能和轻量化材料的应用，提高汽车性能 和经济性。
3 电子工业
4 环保清洁能源
半导体、集成电路、电池等高新材料的应用。
新型纳米材料在太阳光电池、燃料电池、光 传感器等应用。
材料工程的前景展望
1
智能材料
工程材料与材料成型基础讲稿
工程材料与材料成型基础讲稿第一篇：工程材料与材料成型基础讲稿工程材料与材料成型基础讲稿机械制造工艺过程铸锻焊机械加工装配金属材料→ 毛坯→ 零件→ 机器热处理热处理本课程分为两部分：1、工程材料（40学时）2、热加工工艺基础（铸造、锻压和焊接——30学时）工程材料绪论材料是一切事物的物质基础，一种新技术的实现，往往需要新材料的支持。
材料、能源、信息、生物工程是现代文明的四大支柱一、工程材料的分类按组成特点分：金属材料，有机高分子材料，无机非金属材料，复合材料；按使用性能分：结构材料，功能材料；按使用领域分：信息材料，能源材料，建筑材料，机械工程材料，生物材料。
二、材料技术的发展趋势第一，从均质材料向复合材料发展。
第二，由结构材料为方往向功能材料、多功能材料并重的方向发展。
第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。
第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。
第五，通过仿生途径来发展新材料。
三、金属材料在近代工业中的地位金属材料在工农业生产中占极其重要的地位（90%以上）。
在日常生活中得到广泛应用。
其原因： 1．来源广泛；2．优良的使用性能和工艺性能；3．通过热处理可使金属的性能显著提高。
四、本课程的任务1、熟悉成分、组织、性能之间的基本规律；2、合理选用常用工程材料；3、确定热处理方法及其工序位置；4、了解新材料、新技术、新工艺。
五、材料应用举例（螺纹钢、标准件、刀具、摩托车发动机零件、冷冲压件等）第一章金属的力学性能工程材料的性能可分为：1.使用性能——力学性能，物理性能，化学性能（在正常工作条件下，材料应具备的性能）2.工艺性能——铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性（材料在加工制造中表现出的制造难易程度）常用的力学性能有：强度，塑性，硬度，冲击韧度，疲劳极限，弹性，刚度第一节强度与塑性一、静拉伸试验应力-应变曲线（ζ-ε曲线）ζ= F/A0(MPa)ε=△L/ L0（%）A0——试样原始截面积(mm2)L0——试样标距长度从ζ-ε曲线中可以得到两个重要的力学性能指标：强度，塑性。
材料工程基础实验实验讲义(word版本)
材料工程基础实验讲义目录实用文档实验一、煤的工业分析 (1)实验二、煤的发热量测定 (7)实验三、材料导热系数的测定 (15)实验四、雷诺实验 (22)实验五、伯努利方程实验 (25)实验六、风机性能曲线实验 (32)实验七、流体力学综合阻力实验A (38)实验八、流体力学综合阻力实验B (46)实验九、固体流态化的流动特性实验 (48)实验十、流化床干燥器干燥曲线的测定 (56)实验十一、除尘性能实验 (66)实验十二、综合传热性能实验 (69)实验十三、烟气成分分析 (73)实验十四、热电偶的焊接与校正实验 (79)实用文档实用文档实验一、煤的工业分析一、实验目的意义工业分析是分析化学的一个分支，是分析化学在工业生产上的应用。
通过工业分析能够评定燃料、原料及产品的质量。
本实验的目的：1．掌握煤的工业分析方法，即煤的水分、灰分、挥发分和固定碳的测定方法。
2．判断分析煤样的种类。
3．根据经验公式计算煤的低位发热值。
二、实验原理作为固体燃料的煤，是由极其复杂的有机化合物组成的，就其所含元素而言，不外乎有碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五种元素及部分矿物杂质(灰分A )和水分M 。
煤的成分分析有元素分析和工业分析两种方法，其中煤的工业分析方法是我国工矿企业中经常采用的一种简易的分析方法，即通过对实验中风干煤样(空气干燥基)所含水分M 、挥发分V 、灰分A 和固定碳Fc 的测定，得到煤的工业分析成分的方法。
即：100%ad ad ad ad M V A Fc +++= （1） 式中 ad M ——空气干燥基煤样中水分的质量分数，％；ad V ——空气干燥基煤样中挥发分的质量分数，％； ad A ——空气干燥基煤样中灰分的质量分数，％；ad Fc ——空气干燥基煤样中固定碳的质量分数，％。
实验中所遵循的原理为热解质量法，即根据煤样中各组分的不同物理化学性质，控制不同的温度和时间，使其中的某种组分发生热分解或完全燃烧，并以试样失去的重量占原试样重量的百分比作为该组分的重量百分含量。
材料工程《材料工程基础-绪论》课件
材料工程基础多媒体课件
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课程的主要内容
6.3 燃烧计算 6.4 燃料的燃烧理论及过程 6.5 洁净燃烧技术
材料工程基础多媒体课件
9
课程的参考资料
教 材：《材料工程基础》，徐德龙 谢峻林 主编， 武汉理工大学出版社，2008年
参考书目：《材料工程基础》，冯晓云 童树庭 袁 华 主编，化学工业出版社，2007年
《工程研究方法与测试技术》，曲祖 源 主编，武汉工业大学出版社，2005年
《流体力学泵与风机》，周谟仁 主编， 中国建筑工业出版社，1998年
《硅酸盐工业热工基础》，孙晋涛 主 编，武汉工业大学出版社，2000年
材料工程基础多媒体课件
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课程的学时安排
材料工程基础多媒体课件
11
课程的实践教学任务
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材料工程基础及设备多媒体课件
4 质量传递基础 4.1 传质基本概念 4.2 分子扩散传质
材料工程基础多媒体课件
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课程的主要内容
4.3 对流传质 4.4 传质与化学反应 5 物料干燥 5.1 概述 5.2 干燥静力学 5.3 干燥速率和干燥过程 5.4 干燥技术 6 燃料及其燃烧 6.1 燃料的种类及其组成 6.2 燃料的性质
材料工程基础
绪论
一、《材料工程基础》课程的性质与任 务 二、课程的主要内容 三、课程的参考资料、学时安排 四、课程的实践教学任务 五、课程的考核方式
材料工程基础多媒体课件
《材料工程基础》课程性质与任务
材料工程基础课程是学科基础课，围绕材料 生产过程主要涉及到的工程理论，本课程主 要介绍与之相关的基本理论和基础研究方法。 通过本课程的学习，要使学生获得： 1. 工程流体力学， 2. 传热与传质基础， 3. 燃料及燃烧， 4. 工程研究基本理论与测试技术。
材料工程基础讲稿18
§7－2 合金元素对回火转变旳影响 1．对回火第一阶段旳影响 合金元素对M双相分解没有影响，双相分解时碳原子不需要作长
程扩散，更不需要合金元素原子旳扩散，所以合金元素旳存在对双 相分解过程基本上不起作用。
合金元素对单相分解有明显影响。单相分解时碳原子需作长距离 旳扩散，而合金元素旳存在将变化碳在α相中旳扩散能力及碳化物 旳稳定性。强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等与碳旳结合力较 Fe与C旳结合力强，提升碳在α相中旳扩散激活能，降低扩散能 力，使M单相分解速度减慢，分解终了温度向高温推移50～100℃。 非碳化物形成元素Si和Co能溶入碳化物，提升碳化物旳稳定性，减 缓碳化物旳汇集，延缓M旳分解。非碳化物形成元素Ni及弱碳化 物形成元素Mn与碳旳结合力和Fe与碳旳差不多，对碳在α相中旳 扩散影响不大，对M旳单相分解可以为没有影响。
针片状渗碳体球化旳驱动力是表面能旳降低。在板条间旳界面 和原A晶界处旳渗碳体会优先长大和球化，因为在这种界面处旳扩 散更轻易进行。
因为渗碳体旳密度不大于F，当渗碳体向F中长大，空位 旳 扩散（而不是碳原子旳扩散）可能是渗碳体长大和球化速 度旳控制原因。经过较长时间旳回火后，最终得到等轴F 基体中分布旳较粗旳球状碳化物。
4、过渡亚稳碳化物旳转变（回火第三阶段） 1）高碳M旳碳化物由低温向高温回火时旳转变
高碳钢在250℃下列回火析出旳均为亚稳过渡碳化物。在回火温 度高于250℃时，亚稳过渡碳化物将转变为较为稳定旳χ碳化物， 其构成与M5C2相近，可用χ-Fe2C5表达。χ碳化物具有复杂斜方 点阵，呈薄片状，惯习面为{112}α’,即片状M中旳孪晶界面。且 片间距与M中孪晶面间距相当。故可以为χ碳化物是在孪晶界面析 出旳。χ碳化物与α’之间旳位向关系为：（100）（121），[010] [101],[011] [111] 回火温度进一步提升时，ε和χ碳化物又将转变为稳定旳θ碳化 物，即渗碳体Fe3C。θ碳化物为正交点阵，惯习面也为{112}α’， 或{110}α’。与α’相之间保持Bagaraytski关系。
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2021/3/15
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实验还证实珠光体形成还可以分枝机制进行。即珠光体的片层 形态是由渗碳体分枝形式长大所形成（也可看成是铁素体分枝长 大）。即在渗碳体晶核形成以后,在向前长大的过程中,不断分 枝,而铁素体则协调地在渗碳体枝间形成。
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3）球状珠光体形成机制 共析成分的过冷A在A1以下——片状P。但在A化温度较低,保温
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2．亚共析钢中先共析F的析出
亚共析钢A被过冷到GSE’时——有先共析F析出。先共析F的析出 也是一个形核长大过程,F的晶核大都是在A晶界形成。析出的F的 形态、数量决定于A的碳含量、晶粒大小和析出温度（或冷却速 度）。碳含量愈高,析出温度愈低,析出的F愈少。先共析F形态有 ——网状、块状（或称等轴状）和片状F。这三种F的形成机制可
(p65)片状渗碳体的断裂还与渗碳体片内的晶体缺陷有 关。渗碳体片内存在亚晶界,亚晶界是高能区,A1 附近不稳定,也可以通过尖角溶解,平面堆积的形 式破断,并逐渐球化。在A1以下片状渗碳体的球化 就是通过渗碳体片的破裂,断开而逐渐球化的。
片状P被加热的A1以上时,在A形成过程中,尚未转变的片状渗碳 体也会按上述机构溶断球化。
20陷21/使3/15原子易于扩散。
3
设共析钢A向P转变时的领先相为渗碳体。
在A晶界上形成一薄片状渗碳表面积大易于接受的碳原子。薄片状渗碳体
晶核形成后,向前和两侧
长大。渗碳体长大时,
将从周围A中吸收碳原子
而使周围出现贫碳区。
贫碳区的形成为F的形核
提供了成分条件,而F核
第二相质点的溶解度与质点的曲率半径有关,曲率半径愈小,其 溶解度愈高,片状渗碳体的尖角处的溶解度高于平面处的溶解度。
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这就使得周围的F与渗碳体尖角接壤处的碳浓度大于与平面接壤 处的碳浓度,在F内形成碳的浓度梯度,引起了碳的扩散。扩散的 结果破坏了界面上碳浓度的平衡,渗碳体尖角处将进一步溶解,渗 碳体平面将向外长大,如此不断进行,最后形成了各处曲率半径相 近的球状渗碳体。
壤的F的碳浓度为 C－ 而与渗碳
体接壤的F的碳浓度为
, C－Fe3C
且 C－
>
C－Fe3C
,故在F内部也有
碳的扩散。
这些都将促进P中的F和渗碳体向A晶粒内长大。
可以看出,片状P团的形成是渗碳体和F横向沿A晶界或沿已形成
的P的团界交替形核和纵向长大的结果。过冷A转变为P时,晶体点
阵的改组是通过铁原子的自扩散完成的。
碳钢中P的片间距与过冷度的关系可用下列经验公式表达:
S 0＝
C T
O
式中
C＝8.02×104（
O
A
·K）,S0－珠光体片层间距（
A）,△T
－过冷度（K）。
片状珠光体——光学显微镜下能分辨出片层间距的P,该间距为
150～450nm;片间距在80～150nm的称为索氏体S,这样尺寸的片
间距光学显微镜已难以分辨;在更低温度下形成的片间距为30～
80nm的称为屈氏体T。
渗碳体以颗粒状存在于F基体上时称为球状（粒状）P。
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2．珠光体的晶体学
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§3－2 珠光体形成机制
1．片状珠光体形成机制
1）领先相 P的转变是通过形核－长大完成的。由于P是由两个相
组成的,因此存在领先相的问题。
不论那一相领先,当有未溶的渗碳体存在时,将促进P
能是通过两种不同的机制形成的。
时间较短,加热转变未充分进行时,A中有许多未溶的残留碳化物
或许多微小的高碳富集区;同时转变为P的等温温度高,等温时间
足够长,或者冷却速度极慢时,就有可能获得球状P。 渗碳体的球化是一个自发过程,在加热过程中片状渗碳体有可能
自发的发生破裂和球化。由胶态平衡理论:
ln CR B
C R
式中 CR－小粒子在固溶体中的溶解度,C∞－大粒子在固溶体中 的溶解度,B－常数,γ－表面能,R－小粒子的半径。
A的碳含量下降。其结果就是渗碳体与F均随着碳原子的扩散,同时
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往A晶粒纵深长大而形成片状P。
②在远离P的A（碳浓度为Cγ）中的碳向与渗碳体接壤的A（碳浓
度为
C －Fe 3 C
）的扩散,
③与F接壤的A（碳浓度为
C
－
）
中的碳向远离P的A（Cγ）中扩散。 ④此外,在已形成的P中,与A接
此202外1/3/,1球5 状P也可以通过淬火加高温回火获得。
9
§3－3 亚（过）共析钢的珠光体转变 由Fe-Fe3C状态图可知,GSG’和ESE’线将Fe-Fe3C状态图划分
为四个区域,GSE区为单相的A区,G’SE’为伪共析转变区,GSE’ 为先共析F析出区,ESG’为先共析Fe3C析出区。
1．伪共析转变 将共析点附近的铁碳合金自A区以 较快的速度冷却,在先共析产物来不 及析出的情况下,A被过冷到G’SE’线 以下,将从A直接析出F和Fe3C的混合 物。分解机制和分解产物与P转变完 全相同,但其中的Fe3C和F的量则与P 不同,随A中C%而变,C%↑→ Fe3C量愈多——伪共析转变,转变产 物——伪共析组织。一般仍称为P。
形成,而先共析F的存在对P的形成速度没有明显影响。
2）片状珠光体形成机制
共析成分的A发生P转变时,可用下式表示:
γ → α ＋ Fe3C
0.77C <0.0218C
6.67C 需C的扩散
fcc
bcc
正交点阵 点阵重构
P转变时的形核一般是在A晶界上,原因是晶界处可以
提供形核所需的能量、结构、成分起伏,同时晶界上的缺
又最易在渗碳体两侧的A晶界形成。在渗碳体两侧形成F核
后,已形成的渗碳体片不能再向两侧长大,而只能向纵深
发展。新形成的F除了随渗碳体片向纵深发展外,也将向
侧面202长1/3/1大5 。
4
珠光体形成时碳的扩散规律
P形成过程中,一直处于三相共存的情况。设转变温度为T,则
界面两侧各相的碳含量可由铁碳相图得出。①与F接壤的A的碳含量
为
C
－
而与渗碳体接壤的A的碳含量为
C －Fe3C
C－＞CFe3C
在A中形成了碳的浓度梯度,引
起了碳的扩散。扩散→破坏了相
界面上的平衡浓度,使得与F接壤
的A中的碳含量↓,与渗碳体接壤
的A中的碳含量↑。为了恢复平衡,
与F接壤的A将析出碳含量低的F而
使A的碳含量增加,与渗碳体接壤的A将析出碳含量高的渗碳体而使